上行链路大气波前畸变对剪切光束成像技术的影响

剪切光束成像（sheared-beam imaging,SBI）技术是一种利用三束剪切相干激光照明的非传统成像技术,该技术通过探测器阵列接收目标反射回波的散斑图进行计算成像,在对远距离暗弱目标高分辨率成像方面有着独特的优势.大气湍流引起的光束波前畸变是影响SBI成像质量的一个关键因素,因此本文从湍流引起的激光波前畸变对目标频谱信息提取的影响入手,建立了光束波前畸变对成像影响的理论模型.利用多层相位屏模型模拟了近地25 km大气对SBI光束传输的影响.通过计算机仿真,得到了不同激光发射孔径和不同成像距离时SBI的成像结果.仿真结果表明,选取合适的发射孔径尺寸可以有效缓解湍流对光束波前质量的影响,从而提升成像质量.在Hutchin的研究基础上,对孔径选择范围的已有研究成果进行了扩展与深化.给出了SBI系统发射孔径尺寸选取的建议,为SBI对不同高度目标成像的像质差异分析提供了参考.     

基于傅里叶变换的激光数字散斑测量平板玻璃的楔角

采用基于傅里叶变换的激光数字散斑测量了平板玻璃的微小楔角.通过在光路中借助毛玻璃的散射特性,采用高分辨率CCD直接记录激光散斑图像,对散斑图像进行快速傅里叶变换获得散斑结构的高信噪比的杨氏双缝干涉条纹,分析干涉条纹获得光强分布曲线,采用移动平均法消除光强曲线噪声后计算出干涉条纹间距,从而计算出平板玻璃的微小楔角.     

环状干涉条纹成像技术的实验研究

 从傅里叶分析的角度来讨论环状干涉条纹成像的处理过程，并报道二维连续散射目标的成像实验。激光干涉条纹成像是利用激光源在空域形成的干涉条纹同目标间的相对运动来提取目标的图像信息。对利用环状干涉条纹的激光干涉成像，其机理常用全息理论来解释。     

湍流大气中激光传输对傅里叶望远镜成像质量的影响

针对傅里叶望远镜系统激光在湍流大气中传输造成的成像质量下降,分析了湍流对光束传输特性的影响,指出成像质量的下降主要来自于上行传输链路中湍流造成的光束漂移与光束扩展,从而产生光束指向误差。分析了指向误差影响成像的机理。通过数值计算得出了不同强度湍流造成整条上行链路光束指向误差,并通过系统仿真,得到了不同强度大气湍流条件下的成像结果。结果显示:在弱湍流与中湍流条件下（大气折射率结构常数小于10-14 m-2/3）,随机指向误差较小(偏移比小于0.06),复原图像有较好的识别性;在强湍流条件下,成像质量下降严重。因此系统应选择避开强湍流地理位置与时段进行工作。     

多光束激光相干成像孔径偏差对成像质量影响

多光束激光相干场成像技术突破传统概念，采用微小频移的光束组两两干涉提取目标的傅里叶分量，通过目标频谱傅里叶逆变换获得目标高分辨率图像。该技术仍处于实验室原理验证向实体阵列过渡的研究阶段。在这一过程中多种影响因素对成像质量产生着影响。其中发射阵列的孔径位置误差分布规律以及控制范围一直缺乏较为系统的理论支撑。从傅里叶望远镜发射阵列的光场传输特性入手，分析了在基线不同位置引入孔径误差时对成像质量的影响。并分析出孔径位置精度的要求与分布规律，同时针对这一分布规律提出了孔径位置的相对误差精度，计算机仿真分析得出相对误差精度应控制在5%以内不影响成像质量。该研究为傅里叶望远镜发射阵列的设计与装调提供了理论依据，为傅里叶望远技术的工程化实现奠定一定的理论基础。     

远距离环状干涉条纹形成的初步实验

 针对远距离激光干涉成像中条纹的形成进行了研究。分析了成像所需条纹的特点，表明干涉条纹成像系统的带宽决定于条纹的空间带宽。讨论了传统的迈克尔逊干涉仪结构在激光干涉成像中应用的不足之处，并在迈克尔逊干涉仪的基础上，提出一种变形的光路结构，用于在远距离上形成圆对称环状干涉条纹，同时报道了利用该变形结构在约50m的距离上观察到的条纹，表明了该光路结构的可行性。     

条纹法提高成像分辨率的实验研究

 对利用条纹场照射目标以提高成像分辨率的方法进行了实验研究。条纹法提高成像分辨率的基本思想是，采用余弦条纹场照射目标，光学系统截止频率外的一部分高频分量将通过光学系统，通过对用多幅同频条纹场照射目标所获得的图像序列进行综合处理，可以获得超分辨率的图像。实验采用激光形成的干涉条纹场照射目标，共采用10幅余弦条纹场，各幅条纹场之间依次有1/10个周期的平移，对这10幅条纹场照射目标时所拍摄的图像进行综合处理，获得了分辨率提高的图像。实验结果证明了利用干涉条纹场照射目标获得超分辨率像这一方法的可行性。     

抑制穿过具有倾斜角度的介质探测成像时产生的寄生干涉条纹现象

进行穿透扫描探测实验时,在回波图像中发现了由于介质具有倾斜角度产生的周期性干涉条纹,这种干涉条纹对介质后或者介质中的目标成像有严重影响.研究表明,这种干涉条纹主要由介质表面反射波及透射后的层面反射波引起.文中建立点源辐射模型分析干涉条纹现象的形成机理,推导出薄层介质的干涉条纹间距表达式.考虑到天线的影响,建立了角锥喇叭天线近场模型,并且基于该模型进行精确的电磁仿真.商用软件Computer SimulationTechnology的电磁仿真结果与MATLAB程序的数字计算结果进一步验证了干涉条纹的成因分析及其与介质倾斜角度的关系.从推导的薄层介质干涉条纹间距表达式可以看出,干涉条纹间距与介质倾斜角度有关,控制影响条纹间距的因素,可以抑制干涉条纹现象,从而达到提高目标分辨率和成像质量的效果.     

实验室中傅里叶望远术频谱抽取方式

傅里叶望远术是一种主动式的高分辨率成像技术,它使用激光发射阵列产生的干涉条纹场去照射目标,然后用探测器接收回波信号,再对回波信号作相应处理重构出目标图像.在实验室验证实验中,抽取目标频谱的干涉条纹不是由发射阵列产生的,而是通过改变光束位置的方式获得.对直线干涉条纹抽取目标频谱的原理进行了论述,并提出了一种新的光束移动方...     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

湍流大气中激光上行和下行传输时相位奇点的演化

利用激光大气传输四维程序数值模拟了激光在湍流大气中上行和下行传输时产生的相位奇点的变化过程。由模拟结果可知,当光束自地面向空中垂直上行传输时,相位奇点数密度随传输高度的变化有一个从无到有、从快速增加到缓慢增加、达到峰值后又减小的过程;湍流越强,畸变光场中产生的相位奇点数密度越大,达到的峰值越高,且达到峰值后减小的幅度也越大,但达到峰值时对应的传输高度越低;当激光自空中某一位置垂直下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加有一个从无到有、从缓慢增加到快速增加且在接近地平面处急剧增加的过程。另外,通过对模拟结果的曲线拟合发现,激光在湍流大气中上行传输时产生的相位奇点数密度与传输高度的关系符合黑体辐射公式;当激光在湍流大气中下行传输时,相位奇点数密度随传输距离的增加呈指数增加。     

湍流大气中高斯谢尔光束的波前位错

在Rytov近似下,通过引入短期统计平均位错位置的概念,研究了高斯谢尔光束通过近地面弱湍流大气传播时,波前圆形位错形成和位错位置与湍流大气起伏强度和传播距离等参数间的关系.基于湍流大气中平行和交叉双光束的简化近似传输模型,研究了湍流大气中传播高斯谢尔光束波前位错位置与大气湍流强度、传输距离等参数间的相关机制.在远小于光波位相起伏周期的条件下,分别得出了束径不同同轴双光束和交叉双光束传播情况下波前圆位错位置的湍流系综统计平均理论关系.所得结果表明,同轴平行光束干涉和交叉光束干涉所产生的光束波前位错受大气湍流强度、传输距离等参数调制的规律是不同的.     

涡旋光束在湍流大气中的传输特性

根据广义的惠更斯-菲涅耳原理, 研究了涡旋光束在湍流大气中的传输特性。研究结果表明, 涡旋光束在湍流大气中传输时, 截面光强会从空心分布转化为高斯分布。光束所带的拓扑电荷数以及大气湍流均会影响光强分布的变化。研究结果还表明, 涡旋光束能够抑制大气湍流对光束扩展的影响, 这一现象得到了实验上的证实。通过杨氏双缝干涉的方法, 还研究了涡旋光束经过湍流大气传输后的拓扑电荷数。研究发现, 涡旋光束经过湍流大气后, 拓扑电荷数将发生波动。     

相干合成光束在湍流大气中的传输

分析了湍流大气对相干合成光束传输的影响,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,对相干合成光束在不同强度湍流大气中传输进行计算,对接收平面处的光强分布的统计特性,如桶中功率(PIB)曲线、局部功率曲线进行比较.研究结果表明,较弱的湍流大气对相干合成光束的传输影响较小,接收平面的光强分布以及PIB曲线基本不变;随着湍流强度的增大,相干合成光束的光强分布和PIB曲线产生显著变化,光斑扩展和能量的弥散速度加快,光束的能量集中度显著降低.计算了湍流大气传输后光束的空间相干度,认为空间相干度下降是降低相干合成效果的原因,对如何降低湍流大气的影响进行讨论.     

Propagation of partially coherent controllable dark hollow beams with various symmetries in turbulent atmosphere

Normalized intensity distribution, the complex degree of coherence and power in the bucket for partially coherent controllable dark hollow beams (DHBs) with various symmetries propagating in atmospheric turbulence are derived using tensor method and investigated in detail. Analytical results show that, after sufficient propagation distance, partially coherent DHBs with various symmetries eventually become circular Gaussian beam (without dark hollow) in turbulent atmosphere, which is different from its propagation properties in free space. The partially coherent DHBs return to a circular Gaussian beam rapidly for stronger turbulence, higher coherence, lower beam order, smaller p or smaller beam waist width. Another interesting observation is that the profile of the complex degree of coherence attains a similar profile to that of the average intensity of the related beam propagating in a turbulent atmosphere. Besides the laser power focusablity of DHBs are better than that of Gaussian beam propagating in turbulent atmosphere.     

Numerical approach to laser beam propagation through turbulent atmosphere and evaluation of beam quality factor

In this paper, propagation of a Gaussian laser beam through turbulent atmosphere is evaluated numerically. The beam quality factor for the propagated beam has been estimated for different turbulent conditions that are characterized by parameter C_n. The calculations show that the beam quality can be affected dramatically by atmospheric turbulence and the laser beam size and wavelength have major role in the results. Furthermore, the propagation of laser beam in longer distance results in more spatial perturbation of the beam. The results of these calculations and evaluation of beam quality factor M² can be used for estimating the refractive index structure parameter (or atmosphere turbulent parameter) C_n.     

Non-Kolmogorov湍流大气中小尺度热晕效应线性理论

从小尺度热晕线性理论出发,在non-Kolmogorov谱的基础上,得到了non-Kolmogorov谱湍流下热晕相位补偿的Strehl比表达式,分析了湍流谱对高能激光的相位补偿的影响.研究结果表明湍流谱对湍流热晕效应的相位补偿有重要的影响.在相同的湍流菲涅耳数下,当谱指数越接近于3时补偿效果越差,谱指数接近于4时补偿效果越好.在相同大气相干长度条件下或在相同湍流折射率常量条件下,当谱指数接近于3时,Strehl比随热晕效应的增强而下降变快,当湍流谱指数逐渐接近于4时,Strehl比下降速度变慢.其原因是随着湍流谱指数的增大,湍流热晕相互作用引起的对数振幅起伏增长变慢.     

湍流大气中斜程传输光场的相位特性

运用功率谱反演法对斜程传输大气湍流扰动相位屏进行了数值模拟。通过建立激光束初始畸变相位模型,从波前峰谷值和波前功率谱密度函数两个方面,对激光束通过大气湍流后的相位特性进行了研究,重点分析了湍流传输距离和天顶角对激光束波前相位分布的影响。研究结果表明:激光束在湍流大气斜程传输后,其波前相位会发生明显畸变,且空间高频相位较低频相位所占比例明显增加;通过湍流后的波前相位与传输距离及天顶角密切相关,传输距离越长,天顶角越大,相位畸变程度越大,高频相位所占比例越多。     

大气湍流对部分相干平顶高斯光束的影响

采用相屏近似处理方法对激光通过湍流大气的传输进行了数值模拟。从数值模拟的结果拟合出两个公式:一是通过湍流前后部分相干平顶高斯光束的束宽平方比随阶数、传输距离和湍流强度的变化关系式；一是通过湍流后的相干长度随初始光束相干长度、湍流相干长度的变化关系式。研究发现:部分相干平顶高斯光束分解为相互独立的厄米-高斯光束的叠加；相干性越差的光束受到湍流的影响程度就越小；湍流对光束传输的影响与光束自身相干特性对其传输的影响之间是不相关的。